CN104323406B - 超声波强化高压脉冲电场的果蔬渗透脱水装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波强化高压脉冲电场的果蔬渗透脱水装置及方法。果蔬处理室内有高压脉冲发生源和超声波辐射源，高压脉冲电场发生源包括高压电极板和接地电极板，通过调节杆调节高压电极板和接地电极板之间的距离，进而调节电场强度，超声波辐射源固定在高压电极板和接地电极板之间，超声波发生器控制超声波频率和功率，换能器将电能转换成机械能通过振动板传递至待处理果蔬，果蔬槽置于振动板上表面，仪表盘实时监测果蔬处理室内电场强度和温度。本发明利用高压脉冲和超声波的耦合物理场，利用高压脉冲电场对细胞壁的击穿作用，加速果蔬表面水分向渗透液扩散，同时利用超声波的空化作用，强化果蔬内部水分扩散速率。

Description

超声波强化高压脉冲电场的果蔬渗透脱水装置及方法

技术领域

本发明涉及一种果蔬脱水装置及方法，尤其是涉及一种超声波强化高压脉冲电场的果蔬渗透脱水装置及方法。

背景技术

水分传输速率和干燥介质温度的升高都可加快食品干燥速度，所以常见的果蔬干燥方式有热风干燥、微波干燥、远红外干燥等都是非常行之有效的干燥方法，不同的干燥方式也各有优劣。但是上述的干燥方法都是基于热传输的干燥方法，随之而来的是诸多不良结果。当物料在干燥受热时，细胞组织被破坏后，很多酚类的氧化酶会转变为醌，醌形成积累后很快聚合为褐色色素，从而引起组织褐变，严重影响果蔬感官品质，同时很多营养成分都是热敏感物质，热干燥会严重损害营养成分，导致营养成分大大降低。因此，现代干燥技术研究的重要发展方向就是如何最小程度地改变物料的物理和化学性质，减少干燥时间，提高干燥品质，即非热干燥技术。高压脉冲电场技术作为其中的一员，瞬间高压电场可使细胞膜瞬间击穿，提高物料表面水分的传输速度，同时不影响品质，所以异军突起，受到了国内外的诸多关注。同时超声波的空化及机械效应可有效的强化物料内部的水分扩散速率。

然而，目前现有技术大多单纯采用渗透液脱水，而一些用于果蔬脱水的高压脉冲电场处理装置仅仅提供单一的高压脉冲场，缺乏基于高压脉冲和超声波的耦合物理场技术的果蔬干燥技术。

发明内容

针对目前果蔬干燥技术的不足，本发明的目的在于提供一种超声波强化高压脉冲电场的果蔬渗透脱水装置及方法，解决目前普遍采用的高压脉冲电场处理装置的不足之处，利用高压脉冲和超声波的耦合物理场，对果蔬物料进行协同干燥。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案的步骤如下：

一、一种超声波强化高压脉冲电场的果蔬渗透脱水装置：

包括支架、外壳、果蔬处理室、高压脉冲电场发生源、超声波辐射源、霍尔传感器、温度传感器、仪表盘、果蔬槽、调节杆、悬臂梁；外壳底部安装有进行支撑的支架，在外壳内的果蔬处理室内部装有高压脉冲发生源和超声波辐射源；

高压脉冲电场发生源：包括连接高压电两端的高压电极板和接地电极板，接地电极板平行固定安装在果蔬处理室下部，高压电极板通过调节杆安装在果蔬处理室上部；

超声波辐射源：包括超声波发生器、换能器和振动板，换能器通过悬臂梁固定在高压电极板和接地电极板之间，振动板固定在换能器上；

果蔬槽置于振动板上，果蔬槽的底面与振动板的顶面紧贴接触，果蔬槽内置有渗透液和果蔬；高压电极板和接地电极板之间的果蔬处理室内壁上安装有霍尔传感器和温度传感器，外壳上设有实时监测温度和电场的仪表盘，霍尔传感器和温度传感器连接到仪表盘上实时显示采集到的电场强度和温度。

所述的调节杆包括下端连接在高压电极板上的螺杆和轴向固定在外壳上的螺筒，螺杆上端穿过外壳连接螺筒，通过旋转调节杆的螺筒使得螺杆上下移动，调节高压电极板和接地电极板之间的距离。

所述的外壳侧面开有用于将果蔬槽水平装入的矩形槽。

所述的高压电极板和接地电极板均为不锈钢平板电极。

所述的果蔬处理室的周围内壁和果蔬槽均采用食品级的聚四氟乙烯材料。

二、一种超声波强化高压脉冲电场的果蔬渗透脱水方法，包括以下步骤：

1）果蔬放入：将渗透液和果蔬置入果蔬槽内，果蔬槽底部与振动板上表面接触；

2）灭菌：根据果蔬的属性和数量设定灭菌的高压脉冲电场强度和超声波强度，高压脉冲电场施加在高压脉冲电场发生源的高压电极板和接地电极板之间，超声波通过超声波发生器和换能器施加，通过第一次高压电和超声波处理杀灭果蔬和渗透液中的微生物：

3）脱水：根据果蔬样品的目标含水率设定脱水的高压脉冲电场强度和超声波强度，高压脉冲电场施加在高压脉冲电场发生源的高压电极板和接地电极板之间，超声波通过超声波发生器和换能器施加，通过第二次高压电和超声波处理进行果蔬的脱水；利用高压脉冲电场对细胞壁的击穿作用，加速果蔬表面水分向渗透液扩散，并利用超声波的空化作用，强化果蔬内部水分扩散速率；

4）监控：安装在果蔬处理室内的霍尔传感器和温度传感器实时采集电场强度和温度，并连接到外壳外的仪表盘实时监控，当电场强度和温度出现偏差时通过调节杆和超声波发生器进行调节；

5）取出样品：将果蔬槽取出；

6）清洗：将果蔬样品和渗透液从果蔬槽中取出，果蔬槽用自来水清洗。

所述的高压脉冲电场强度通过旋转螺筒上下调节螺杆位置，从而调节高压电极板和接地电极板之间的距离而实现调节。

所述的超声波强度通过超声波发生器控制超声波的频率和功率调节，换能器将电能转换成机械能通过振动板传递至果蔬槽内的果蔬。

所述的步骤6）中取出的渗透液经过浓缩回收再重新放入果蔬槽用于下一次果蔬渗透脱水。

所述渗透液为高浓葡萄糖溶液，浓度大于果蔬的细胞液的浓度。

本发明具有的有益效果是：

本发明利用高压脉冲和超声波的耦合物理场，对果蔬物料进行协同干燥，利用高压脉冲电场对细胞壁的击穿作用，加速果蔬表面水分向渗透液扩散，同时利用超声波的空化作用，强化果蔬内部水分扩散速率。

附图说明

图1是本发明装置示意图。

图中：1、支架，2、外壳，3、果蔬处理室，4、高压脉冲电场发生源，4a、高压电极板，4b、接地电极板，5、超声波辐射源，5a、超声波发生器，5b、换能器，5c、振动板，6、霍尔传感器，7、温度传感器，8、仪表盘，9、果蔬槽，10、调节杆，10a、螺筒，10b、螺杆，11、悬臂梁。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明果蔬渗透脱水装置，包括支架1、外壳2、果蔬处理室3、高压脉冲电场发生源4、超声波辐射源5、霍尔传感器6、温度传感器7、仪表盘8、果蔬槽9、调节杆10、悬臂梁11；外壳2底部安装有进行支撑的支架1，在外壳2内的果蔬处理室3内部装有高压脉冲发生源4和超声波辐射源5。

如图1所示，高压脉冲电场发生源4：包括连接高压电两端的高压电极板4a和接地电极板4b，接地电极板4b平行固定安装在果蔬处理室3下部，高压电极板4a通过调节杆10安装在果蔬处理室3上部。

如图1所示，超声波辐射源5：包括超声波发生器5a、换能器5b和振动板5c，换能器5b通过悬臂梁11固定在高压电极板4a和接地电极板4b之间，振动板5c固定在换能器5b上；超声波发生器5a控制超声波频率和功率，换能器5b将电能转换成机械能通过振动板5c传递至待处理果蔬。

如图1所示，果蔬槽9置于振动板5c上，果蔬槽9的底面与振动板5c的顶面紧贴接触，果蔬槽9内置有渗透液和果蔬；高压电极板4a和接地电极板4b之间的果蔬处理室3内壁上安装有霍尔传感器6和温度传感器7，外壳2上设有实时监测温度和电场的仪表盘8，霍尔传感器6和温度传感器7连接到仪表盘8上实时显示采集到的电场强度和温度，霍尔传感器6和温度传感器7分别采集果蔬处理室3内的电场强度和温度。

上述调节杆10包括下端连接在高压电极板4a上的螺杆10b和轴向固定在外壳2上的螺筒10a，螺杆10b上端穿过外壳2连接螺筒10a，通过旋转调节杆10的螺筒10a使得螺杆10b上下移动，调节高压电极板4a和接地电极板4b之间的距离，进而调节高压脉冲电场发生源4的电场强度。

上述外壳2侧面开有用于将果蔬槽9水平装入的矩形槽，矩形槽与振动板5c位于同一水平高度，果蔬槽9通过矩形槽进入进入果蔬处理室3，与振动板5c的上表面刚好接触。

优选的高压电极板4a和接地电极板4b均为不锈钢平板电极。

优选的果蔬处理室3的周围内壁和果蔬槽9均采用食品级的聚四氟乙烯材料。

本发明果蔬渗透脱水方法，包括以下步骤：

1）果蔬放入：将渗透液和果蔬置入果蔬槽9内，果蔬槽9底部通过矩形槽进入果蔬处理室3，与通过悬臂梁11固定在果蔬处理室3上的换能器5b上的振动板5c上表面接触。

2）灭菌：根据果蔬的属性和数量设定灭菌的高压脉冲电场强度和超声波强度，高压脉冲电场施加在高压脉冲电场发生源4的高压电极板4a和接地电极板4b之间，超声波通过超声波发生器5a和换能器5b施加，通过第一次高压电和超声波处理杀灭果蔬和渗透液中的微生物。

3）脱水：根据果蔬样品的目标含水率设定脱水的高压脉冲电场强度和超声波强度，高压脉冲电场施加在高压脉冲电场发生源4的高压电极板4a和接地电极板4b之间，超声波通过超声波发生器5a和换能器5b施加，通过第二次高压电和超声波处理进行果蔬的脱水；其利用高压脉冲电场对细胞壁的击穿作用，加速果蔬表面水分向渗透液扩散，并利用超声波的空化作用，强化果蔬内部水分扩散速率。

4）监控：安装在果蔬处理室3内的霍尔传感器6和温度传感器7实时采集电场强度和温度，并连接到外壳2外的仪表盘8实时监控，当电场强度和温度出现偏差时通过调节杆10和超声波发生器5a进行调节。

5）取出样品：将果蔬槽3从矩形槽取出。

6）清洗：将果蔬样品和渗透液从果蔬槽3中取出，果蔬槽3用自来水清洗。

步骤2）和步骤3）中高压脉冲电场强度通过旋转螺筒10a上下调节螺杆10b位置，从而调节高压电极板4a和接地电极板4b之间的距离而实现调节。

步骤2）和步骤3）中超声波强度通过超声波发生器5a控制超声波的频率和功率调节，换能器5b将电能转换成机械能通过振动板5c传递至果蔬槽3内的果蔬。

步骤6）中取出的渗透液经过浓缩回收再重新放入果蔬槽9用于下一次果蔬渗透脱水。

优选的渗透液为高浓葡萄糖，浓度大于果蔬的细胞液的浓度。

本发明的实施例具体过程如下：

以草莓为例，使用该装置对其进行渗透脱水时处理。

1）样品放入：将2L的质量浓度为80%的葡萄糖渗透液和5kg草莓置入果蔬槽内，果蔬槽底部通过矩形槽进入果蔬处理室，与通过悬臂梁固定在果蔬处理室上的换能器上的与振动板上表面接触；

2）灭菌：通过调节杆上螺筒和螺杆的上下旋转调节高压电极和接地电极之间的距离为5cm，在高压电极板和接地电极板之间施加50kV、频率为120Hz、脉宽为3μs的准方形脉冲，持续处理30μs；再开启功率为100W，频率为20Khz的超声波。持续处理1min。该杀菌参数剧本符合杀灭果蔬中致病微生物的要求。

3）脱水：通过调节杆上螺筒和螺杆的上下旋转调节高压电极和接地电极之间的距离为10cm，对其施加电压为30kV、频率为2Hz、脉宽为100μs的准方波脉冲，脉冲个数达到50个以上；再开启功率为200W，频率为22Khz的超声波时间为5min，经过高压脉冲电场和超声波技术处理后的草莓在渗透脱水2h后，脱水率相比单纯采用渗透液脱水的果蔬提高了50%。

4）监控：安装在果蔬处理室内的霍尔传感器和温度传感器实时采集电场强度和温度，并连接到外壳外的仪表盘实时监控，测试过程中仪表盘上现实的电场强度和温度与目标值一致。

5）取出样品：将果蔬槽从矩形槽取出。

6）清洗：将草莓样品和葡萄糖渗透液从果蔬槽中取出，果蔬槽用自来水清洗。

本实施例结果说明，采用本发明经过超声波和高压脉冲电场对果蔬的处理能加速果蔬表面水分向渗透液扩散，大幅提高渗透脱水的效率，具有显著的技术效果。

Claims (10)

1.一种超声波强化高压脉冲电场的果蔬渗透脱水装置，其特征在于：包括支架（1）、外壳（2）、果蔬处理室（3）、高压脉冲电场发生源（4）、超声波辐射源（5）、霍尔传感器（6）、温度传感器（7）、仪表盘（8）、果蔬槽（9）、调节杆（10）、悬臂梁（11）；外壳（2）底部安装有进行支撑的支架（1），在外壳（2）内的果蔬处理室（3）内部装有高压脉冲发生源（4）和超声波辐射源（5）；

高压脉冲电场发生源（4）：包括连接高压电两端的高压电极板（4a）和接地电极板（4b），接地电极板（4b）平行固定安装在果蔬处理室（3）下部，高压电极板（4a）通过调节杆（10）安装在果蔬处理室（3）上部；

超声波辐射源（5）：包括超声波发生器（5a）、换能器（5b）和振动板（5c），换能器（5b）通过悬臂梁（11）固定在高压电极板（4a）和接地电极板（4b）之间，振动板（5c）固定在换能器（5b）上；

果蔬槽（9）置于振动板（5c）上，果蔬槽（9）的底面与振动板（5c）的顶面紧贴接触，果蔬槽（9）内置有渗透液和果蔬；高压电极板（4a）和接地电极板（4b）之间的果蔬处理室（3）内壁上安装有霍尔传感器（6）和温度传感器（7），外壳（2）上设有实时监测温度和电场的仪表盘（8），霍尔传感器（6）和温度传感器（7）连接到仪表盘（8）上实时显示采集到的电场强度和温度。

2.根据权利要求1所述的一种超声波强化高压脉冲电场的果蔬渗透脱水装置，其特征在于：所述的调节杆（10）包括下端连接在高压电极板（4a）上的螺杆（10b）和轴向固定在外壳（2）上的螺筒（10a），螺杆（10b）上端穿过外壳（2）连接螺筒（10a），通过旋转调节杆（10）的螺筒（10a）使得螺杆（10b）上下移动，调节高压电极板（4a）和接地电极板（4b）之间的距离。

3.根据权利要求1所述的一种超声波强化高压脉冲电场的果蔬渗透脱水装置，其特征在于：所述的外壳（2）侧面开有用于将果蔬槽（9）水平装入的矩形槽。

4.根据权利要求1所述的一种超声波强化高压脉冲电场的果蔬渗透脱水装置，其特征在于：所述的高压电极板（4a）和接地电极板（4b）均为不锈钢平板电极。

5.根据权利要求1所述的一种超声波强化高压脉冲电场的果蔬渗透脱水装置，其特征在于：所述的果蔬处理室（3）的周围内壁和果蔬槽（9）均采用食品级的聚四氟乙烯材料。

6.应用于权利要求1～5任一所述装置的一种超声波强化高压脉冲电场的果蔬渗透脱水方法，其特征在于包括以下步骤：

1）果蔬放入：将渗透液和果蔬置入果蔬槽（9）内，果蔬槽（9）底部与振动板（5c）上表面接触；

2）灭菌：根据果蔬的属性和数量设定灭菌的高压脉冲电场强度和超声波强度，高压脉冲电场施加在高压脉冲电场发生源（4）的高压电极板（4a）和接地电极板（4b）之间，超声波通过超声波发生器（5a）和换能器（5b）施加，通过第一次高压电和超声波处理杀灭果蔬和渗透液中的微生物：

3）脱水：根据果蔬样品的目标含水率设定脱水的高压脉冲电场强度和超声波强度，高压脉冲电场施加在高压脉冲电场发生源（4）的高压电极板（4a）和接地电极板（4b）之间，超声波通过超声波发生器（5a）和换能器（5b）施加，通过第二次高压电和超声波处理进行果蔬的脱水；利用高压脉冲电场对细胞壁的击穿作用，加速果蔬表面水分向渗透液扩散，并利用超声波的空化作用，强化果蔬内部水分扩散速率；

4）监控：安装在果蔬处理室（3）内的霍尔传感器（6）和温度传感器（7）实时采集电场强度和温度，并连接到外壳（2）外的仪表盘（8）实时监控，当电场强度和温度出现偏差时通过调节杆（10）和超声波发生器（5a）进行调节；

5）取出样品：将果蔬槽（9）取出；

6）清洗：将果蔬样品和渗透液从果蔬槽（9）中取出，果蔬槽（9）用自来水清洗。

7.根据权利要求6所述的一种超声波强化高压脉冲电场的果蔬渗透脱水方法，其特征在于：所述的高压脉冲电场强度通过旋转螺筒（10a）上下调节螺杆（10b）位置，从而调节高压电极板（4a）和接地电极板（4b）之间的距离而实现调节。

8.根据权利要求6所述的一种超声波强化高压脉冲电场的果蔬渗透脱水方法，其特征在于：所述的超声波强度通过超声波发生器（5a）控制超声波的频率和功率调节，换能器（5b）将电能转换成机械能通过振动板（5c）传递至果蔬槽（9）内的果蔬。

9.根据权利要求6所述的一种超声波强化高压脉冲电场的果蔬渗透脱水方法，其特征在于：所述的步骤6）中取出的渗透液经过浓缩回收再重新放入果蔬槽（9）用于下一次果蔬渗透脱水。

10.根据权利要求6所述的一种超声波强化高压脉冲电场的果蔬渗透脱水方法，其特征在于：所述渗透液为高浓葡萄糖溶液，浓度大于果蔬的细胞液的浓度。